Принцип работы датчиков давления, расхода и уровня

Датчики давления

Принцип работы датчиков давления

Единицы измерения давления

• Паскаль
  1 Па = 1 Н/м 2
• Бар
  1 бар = 10 5 Па
• Физическая Атмосфера – атмосферное давление на уровне моря 1 атм = 101325 Па = 1,01325 бар = 10,33 м вод. ст.
• Метр водяного столба – гидростатическое давление столба воды высотой в 1 метр 1 м вод. ст. = 9806,65 Па = 9,80665×10 -2 бар = 0,096784 атм (напор в водопроводе удобно измерять в метрах водяного столба).

Классификация датчиков по типу измеряемого давления

• Датчики абсолютного давления
  (Absolute Pressure Sensor)
  Эти датчики измеряют давление относительно абсолютного вакуума.
  Применение: пищевые и химические производства.
• Датчики избыточного (относительного) давления, манометры
  (Gauge Pressure Sensor)
  Эти датчики измеряют давление относительно атмосферного давления в этом месте.
  Барометры измеряют атмосферное давление.
  Применение: водоснабжение и водоотведение.
• Датчики дифференциального (перепада) давления
  (Differential Pressure Sensor)
  Эти датчики измеряют перепад (разность) давления в двух точках.
  Применение: контроль загрязнения фильтров, измерение расхода и уровня жидкости (гидростатический метод).
• Вакуумные датчики, датчики разряжения
  (Vacuum Pressure Sensor)
  Измеряют давление, которое ниже атмосферного (вакуум).

Классификация датчиков давления по принципу действия

• Пьезорезистивные (Piezoresistive Strain Gage)
  Используется эффект изменения электрического сопротивления полупроводников под действием механической нагрузки.
• Пьезоэлектрические (Piezoelectric)
  Используется пьезоэлектрический эффект – способность некоторых кристаллов (кварца) и керамики генерировать электрическое поле или разность потенциалов пропорционально силе давления (сжатия).
• Тензометрические (Strain Gauge)
  Используется тензоэффект – изменение электрического сопротивления тензорезисторов при их деформации под воздействием нагрузки.
• Емкостные (Capacitive)
  Используется эффект зависимости ёмкости конденсатора от расстояния между обкладками.
• Резонансные (Resonant)
  Используется эффект зависимости частоты собственных колебаний (кварцевого резонатора) от давления.
• Индуктивные (Electromagnetic)
  Принцип действия основан на регистрации токов Фуко, возникающих в металлическом экране, расположенном между двумя катушками, одна из которых связана с измерительной мембраной – при её приближении или удалении от экрана изменяется индуктивность системы.
• Ионизационные (Ionization)
  Используется эффект зависимости плотности потока ионов от разряжения в катодно-анодной лампе.

Вентильные блоки

Позволяют отключать датчик от процесса, проводить профилактические работы, промывку и калибровку.

Разделители давления

Разделители давления служат для разнесения в пространстве преобразователя и среды измерения. Измеряемое давление передается с разделительной мембраны на наполнительную жидкость и дальше по капиллярной трубке или напрямую в измерительную камеру преобразователя.

• При использовании в пищевой и фармацевтической промышленности быстросъёмные мембранные разделители можно легко промывать
• Измеряемое вещество может закупорить или разъесть импульсные трубки
• Нестандартный температурный диапазон.

Как выбрать датчик давления

Измеряемое давление

• Абсолютное
• Избыточное (относительное)
• Дифференциальное (перепад)
• Вакуум (разрежение)
• Гидростатическое давление (уровень).

Измеряемая среда

• Измеряемая среда
• Диапазон рабочих температур измеряемой среды
• Максимальное статическое давление измеряемой среды.

Окружающая среда

• Температура окружающей среды
• Влажность
• Наличие агрессивных сред
• Взрывоопасная зона.

Метрологические характеристики

• Единицы измерения (градуировка)
• Погрешность измерений
• Перестраиваемый интервал измерений
• Влияние температуры окружающей среды
• Влияние статического давления
• Влияние питания
• Влияние вибрации
• Долговременный дрейф
• Межповерочный период
• Электромагнитная совместимость.

Подключение к процессу

• Штуцерное
• Фланцевое
• Ниппель
• Гигиеническая конструкция
• Разделитель давления
  • наполнитель.

Вентильный блок

• 2-х ходовой
• 3-х ходовой
• 5-ти ходовой.

Преобразователь

• Индикатор
• Диагностические функции
• Степень защиты корпуса
• Материал корпуса
• Питание
• Кабельный ввод
• Выходной сигнал:
  • токовый 4..20мА
  • HART
  • PROFIBUS PA
  • Foundation Fieldbus.

Виды, устройство и принцип действия расходомеров

Какие бывают виды расходомеров. Как каждый из них устроен и для чего создан. Какие у них преимущества и в каких случаях разные расходомеры стоит применять. Все это вы узнаете в этой статье.
Вы также можете посмотреть другие статьи. Например, «Устройство и принцип работы датчиков уровня» или «Психрометр Августа (стационарный психрометр)».

Расходомер, как видно из названия — устройство, предназначенное для измерения расхода какого-либо вещества — как правило, жидкости или газа. Если имеется канал диаметром d и по нему со средней скоростью V_a перемещается жидкость или газ, то расходом является величина:

где A=πd 2 /4 — площадь поперечного сечения канала.

Следует сразу отметить, что вещества, расход которых необходимо измерить, могут быть сжимаемыми (газ) или несжимаемыми (жидкость), и методики измерения расхода в обоих случаях имеют свои особенности.

Независимо от типа используемого устройства определения расхода вещества является довольно сложной комплексной задачей, при решении которой приходится учитывать множество факторов, таких как:

1. Физические характеристики исследуемой среды
2. Физические характеристики окружающей среды
3. Форма канала и свойства материала, из которого он изготовлен

К каждому датчику как правило прилагается набор документов описывающих технические параметры прибора, его ограничения и рекомендации по эксплуатации. Перед покупкой изучите все эти документы и выберете наиболее подходящее для ваших задач устройство.

Среди довольно большого разнообразия расходомеров по принципу действия можно выделить следующие основные группы:

• Датчики скорости потока по перепаду давления
• Тепловые расходомеры
• Ультразвуковые расходомеры
• Электромагнитные расходомеры
• Микрорасходомеры
• Кориолисовские расходомеры
• Расходомеры с мишенями
• Детекторы изменения скорости потока

Рассмотрим основные виды расходомеров.

Тепловые расходомеры

В основе метода лежит довольно простая идея: если локально изменять свойства вещества в потоке (например, температуру) и регистрировать эти изменения на некотором удалении от места воздействия, можно определить среднюю скорость перемещения вещества в потоке (рисунок 1). Предположим, в потоке установлена пара датчиков температуры (A и B) и один нагревательный элемент C, причём расстояния AC>BC. Если вещество неподвижно, повышение температуры происходит локально за счёт теплопроводности, и датчик B нагревается быстрее, поскольку расположен ближе к нагревательному элементу. Если же поток придёт в движение, температура в области A упадёт до исходной температуры вещества в потоке, а температура в области B будет чуть выше исходной. Анализ данных с датчиков позволяет однозначно судить о скорости перемещения вещества в потоке.

Рисунок 1. Общая схема расположения ключевых элементов теплового расходомера.

Подобным образом изменению могут быть подвергнуты и другие параметры вещества (например, его химический состав), однако в большинстве случаев это недопустимо, например, когда речь идёт о медицинском применении расходомеров.

Ультразвуковые расходомеры

В устройствах данного типа используется свойство звуковых волн изменять скорость своего распространения в подвижной среде. Если установить источник (A) и приёмник (B) ультразвука со смещением (рисунок 2), то о скорости потока можно судить по изменению скорости распространения звуковой волны вдоль отрезка AB.

Рисунок 2. Общая схема расположения ключевых элементов ультразвукового расходомера

Кроме того, для измерения локальной скорости потока может быть использован эффект Допплера, для этого источник и приёмник располагаются как указано на рисунке 3. Исходный сигнал, а также сигнал с приёмника отправляются на смеситель. Частота ультразвука, которую фиксирует приёмник, изменяется в зависимости от скорости потока, исходная частота остаётся неизменной. Частота сигнала на выходе из смесителя является разностью частот исходного и принятого сигнала – по этой величине можно однозначно судить о локальной скорости вещества в потоке.

Рисунок 3. Общая схема расположения ключевых элементов расходомера на эффекте Допплера

Ультразвук достаточно часто используется в производстве датчиков. Например, существуют ультразвуковые дефектоскопы

Электромагнитные расходомеры

Если жидкость проводит ток, её перемещение поперёк линий магнитного поля приведёт к возникновению ЭДС, пропорциональной скорости потока. На практике эта схема реализуется путём установки электромагнитов таким образом, чтобы линии магнитного потока были перпендикулярны потенциальному перемещению потока жидкости, а также установкой пары электродов, фиксирующих наведённую движением потока ЭДС (рисунок 4).

Рисунок 4. Общая схема расположения ключевых элементов электромагнитного расходомера

Возможно несколько различных реализаций данного метода, однако изменения в целом касаются схемы обработки данных и не затрагивают принципиальные основы метода.

Вихревые расходомеры (Расходомеры с мишенями)

В расходомерах данного типа основным элементом является дискообразная или шарообразная мишень, укреплённая на эластичном тросе, один противоположный конец которого неподвижно закреплён (рисунок 5). Поток жидкости или газа приводит к смещению мишени, что вызывает деформацию троса, а установленные на нём тензодатчики регистрируют тип и степень деформации. Полученные данные позволяют судить о скорости потока вещества, а также о его направлении.

Рисунок 5. Схема расположения ключевых элементов вихревого расходомера

Достоинством таких датчиков является возможность проведения измерений расхода и скорости потока в двух или даже в трёх различных направлениях. Для обеспечения подобной многозадачности необходимо обеспечить симметричность мишени для всех нужных направлений.

Кориолисовские расходомеры

Обычно кориолисовский расходомер состоит из трубки, которая подвергается вибрационному воздействию от внешнего генератора колебаний (рисунок 6). Если трубка пуста, колебания приведут к синхронному ускорению всех участков трубки. Если же по трубке перемещается жидкость, на неё из-за воздействия ускорения, вызванного колебательным воздействием, будет также действовать кориолисова сила, направленная в различные стороны для входного и выходного потоков жидкости, что приведёт к сдвигу фазы колебаний трубки. Величина фазового рассогласования зависит от массы жидкости, протекающей по трубке в единицу времени.

Рисунок 6. Схема функционирования кориолисовского расходомера

Главным достоинством устройств данного типа является их универсальность — они могут применяться для определения скорости потока большого спектра веществ — как жидкостей, так и газов. Основным же недостатком кориолисовских расходомеров является их относительно высокая стоимость.

Микрорасходомеры

Этот класс представлен расходомерами теплового или емкостного принципа действия в миниатюрном исполнении. Требования к габаритам обусловлены областью применения подобных устройств — это, как правило, химическое производство или медицинские технологии. По принципу действия микрорасходомеры полностью идентичны своим крупногабаритным аналогам, однако стоимость миниатюрных устройств, как правило, гораздо выше.

Расходомеры по перепаду давления

Для понимания принципа функционирования данного типа расходомеров проще всего прибегнуть к аналогии с законом Ома. В рамках данной аналогии давление эквивалентно напряжению, а скорость потока эквивалентна силе тока. Если на пути прохождения потока установить препятствие (сопротивление), возникнет перепад давления до и после препятствия (падение напряжения на сопротивлении). Определение перепада давление можно осуществлять как непосредственно измеряя давление жидкости до и после прохождения препятствия, так и с помощью дифференциального датчика давления, установленного на ответвлении от основного канала. Аналогично можно определить силу тока на участке цепи, зная падение напряжения на сопротивлении известного номинала.

Детектор изменения скорости потока (датчики наличия расхода)

Часто требуется определение не количественных, а качественных характеристик потока жидкости или газа. К примеру, от устройства необходимо получать сигнал только в случае, если скорость потока отклоняется от номинальной. В данном случае чаще всего используются пороговые расходомеры на основе пьезоэффекта. В потоке устанавливается пара пьезокристаллов, включенных в электрическую цепь навстречу друг другу. Один из кристаллов изолирован от внешнего воздействия, второй находится непосредственно в потоке вещества (Рисунок 7).

Рисунок 7. Схема расположения ключевых элементов порогового расходомера на пьезокристаллах

В случае если кристаллы находятся в одинаковых условиях, заряды на них имеют равную величину и разные знаки, напряжение на резисторе R равно нулю. Если же скорость потока изменяется, возникает изменение заряда на не изолированном кристалле, баланс зарядов нарушается, напряжение на резисторе изменяется — регистрация этого явления позволяет сделать вывод об отклонении скорости потока от номинального значения.

Приборы, в основу которых положен данный метод, как правило, могут быть использованы для анализа как жидких, так и газообразных сред.

Механические расходомеры

К этой группе относится ряд устройств, полностью лишённых электронных компонентов. В расходомерах такого типа скорость потока может измеряться, например, путём определения скорости вращения механической турбины при погружении её в поток. Механические расходомеры довольно дешевы, однако их точность, как правило, не позволяет использовать их в большинстве критичных к этому параметру приложений. Помимо низкой точности, их недостатком является наличие подвижных частей, препятствующих потоку жидкости или газа, что также снижает точностные характеристики приборов данного типа. Однако, это не мешает им широко использоваться в приборах учета расхода воды установленных в квартирах.

Если вам понравилась статья нажмите на одну из кнопок ниже

Онлайн журнал электрика

Статьи по электроремонту и электромонтажу

Датчики давления, расхода и уровня, устройство и принцип работы

Датчики давления. Большая часть датчиков давле­ния строятся на принципе преобразования давления в механическое перемещение. Не считая механических систем, в которые входят мем­браны и трубчатые пружины, для измерения давления применяются также электронные и термические системы.

К датчикам давления с механическими воспринимающими органами относятся:

1) жидкостные датчики давления (U-образные системы),

2) поршневые системы,

3) пружинные системы: а) мембранные (плоские, бугристые, мягенькие); б) сильфоны; в) манометрические трубчатые пружины.

Разглядим устройство неких более нередко встречающихся датчиков давления.

Более обширно используются пружинные датчики давления. Действие их основано на возникнове­нии упругой деформации пру­жины, являющейся чувстви­тельным элементом прибора. Деформация появляется при измене­нии давления снутри либо снаружи пружины. Изменение формы элемента передается на подвижную часть прибора со стрелкой, перемещающейся по шкале, при снятии давления чувствительный элемент воспринимает первоначальную форму.

В технических манометрах и вакуумметрах обычно применяются упругие пружины: одновитковые, многовитковые, плоские мембраны и сильфоны (гармониковые мембраны).

На рис. 1 показаны виды пружинных датчиков давления.

Одновитковая трубчатая пружина (а) согнута по дуге практически в форме окружности примерно на 270°. В сечении пружина имеет вид эллипса. Изготовляется она из латуни (либо стали – для огромных давлений). Один конец пружины запаян и является свободным. 2-ой конец пружины неподвижен и к нему подводится измеряемое давление р. Давление вызывает деформацию пружины и переме­щение ее свободного конца.

Раскручивание пружины происходит по последующей причине. При увеличении внутреннего давления эллиптическое сечение стре­мится принять круглую форму, т. е. малая ось эллипса начинает возрастать, а большая уменьшаться. В итоге появляются напряжения, которые будут раскручивать трубчатую пружину. Свободный конец пружины при всем этом будет передвигаться пропор­ционально давлению снутри ее. Таким макаром, измеряемое дав­ление преобразуется в механическое перемещение свободного конца пружины. Величина этого перемещения обычно составляет 5—7 мм.

Многовитковая трубчатая пружина (б) имеет 6-9 витков поперечником около 30 мм. Перемещение свободного конца пружины существенно больше (до 15 мм), чем у одновитковой пружины. Еще огромным является тут и тяговое усилие. Обычно датчики в виде одновитковой трубчатой пружины используются в показываю­щих устройствах, а датчики в виде многовитковых трубчатых пружин – в самопишущих. Это разъясняется тем, что в самопишущих при­борах датчик должен владеть огромным усилием, достаточным для преодоления трения не только лишь в сочленениях передаточно-множительного механизма, да и трения пера о бумагу.

Плоская гофрированная мембрана (в) употребляется либо в от­дельности, либо в коробке из 2-ух гофрированных мембран. Приме­няется также мягенькая мембрана из плоской прорезиненной ткани, соединенной с плоской калиброванной пружиной.

Гармониковая мембрана — сильфон (г) представляет собой цилиндрическую коробку со стенами, имеющими равномерные поперечные складки (гофры). Измеряемое давление подается вовнутрь сильфона либо снаружи его.

По сопоставлению с плоской мембраной и мембранной коробкой гармоникообразная мембрана обладает большей чувствитель­ностью.

Сильфонные приборы предназначаются для измерения и записи лишнего давления и разрежения. Не считая того, эти приборы ис­пользуются в качестве вторичных устройств к устройствам, снаб­женным приспособлением для пневматической передачи показаний на расстояние.

Пружинные датчики давления в схемах автоматизации преобра­зуют механическое перемещение в электронный сигнал при по­мощи индуктивного, реостатного либо контактного датчиков.

На рис. 2 приведена схема датчика давления типа МЭД. Давление, воспринимаемое трубчатой манометрической пружи­ной 1, преобразуется в перемещение конца манометрической труб­ки. Это перемещение передается плунжеру трансформаторного датчика 2. Вторичным прибором является прибор типа ЭПИД.

Датчики расхода бывают механические, тепловые, ионизационные, индукционные, акустические.

Механические датчики расхода делятся на датчики пере­менного и неизменного перепада, также датчики со сливным от­верстием.

Датчики расхода переменного перепада действуют по принципу появления перепада давления в сужающем устройстве, которое устанавливается на пути передвигающейся среды. Пере­пад давления является тут функцией расхода. Сужающее устройство является воспринимающим органом датчика расхода.

Датчики расхода неизменного перепада (ротаметры) употребляют сужающие органы для регулирования сечения с целью поддерживать неизменным пере­пад давления.

На рис. 3 приведена схема ротаметра с индуктивным датчиком. Ротаметр состоит из ко­нической трубки 1 и поплавка 2. При движении воды либо газа в кольцевом зазоре меж поплавком и стенами трубки создается перепад давления, который делает силу, действующую навстречу силе веса поплавка. Положение поплавка в конической трубке определяется величиной расхода.

Ротаметры производятся как показывающие приборы и как дат­чики. Обмотка индуктивного датчика помещена снаружи на трубке сопла. Металлический поплавок является сердечником катушки 3 индуктивного датчика. При изменении расхода поплавок переме­щается и изменяет индуктивность катушки, таким макаром, расход преобразуется в электронный сигнал.

Датчики уровня. Очень всераспространенными являются поплавковые датчики. Поплавковый датчик состоит из поплавка – органа, воспринимающего уровень воды; проме­жуточного органа – механической связи, модифицирующей и пере­дающей механическое воздействие выходному органу, представ­ляющему собой датчик перемещения.

Датчики уровня могут быть основаны на измерении веса и гидростатического давления воды, на использовании электронных параметров воды (конфигурации сопротивления, ем­кости, индуктивности).

Придется покопаться в памяти и вспомнить: как отыскать диагональ параллелепипеда.

Российская индустрия выпускает датчики уровня раз­личных типов.

На рис. 4 приведена схема поплавкового дат­чика уровня с реостатным датчиком R на выходе. По свидетельствам милливольтметра mV судят об уровне воды Н в сосуде.

Устройство и принцип работы датчиков давления, расхода и уровня

Датчики давления

Большинство датчиков давле­ния строятся на принципе преобразования давления в механическое перемещение. Кроме механических систем, в которые входят мем­браны и трубчатые пружины, для измерения давления применяются также электрические и тепловые системы.

Устройство и работа датчика давления.

К датчикам давления с механическими воспринимающими органами относятся:

• жидкостные датчики давления (U-образные системы);
• поршневые системы;
• пружинные системы: а) мембранные (плоские, гофрированные, мягкие); б) сильфоны; в) манометрические трубчатые пружины.

Рассмотрим устройство некоторых наиболее часто встречающихся датчиков давления.

Наиболее широко применяются пружинные датчики давления. Действие их основано на возникнове­нии упругой деформации пру­жины, являющейся чувстви­тельным элементом прибора. Деформация возникает при измене­нии давления внутри или снаружи пружины. Изменение формы элемента передается на подвижную часть прибора со стрелкой, перемещающейся по шкале, при снятии давления чувствительный элемент принимает первоначальную форму.

Рисунок 1. Виды пружинных датчиков давления.

В технических манометрах и вакуумметрах обычно применяются упругие пружины: одновитковые, многовитковые, плоские мембраны и сильфоны (гармониковые мембраны).

На рис. 1 показаны виды пружинных датчиков давления.

Одновитковая трубчатая пружина (а) согнута по дуге почти в форме окружности приблизительно на 270°. В сечении пружина имеет вид эллипса. Изготовляется она из латуни (или стали – для больших давлений). Один конец пружины запаян и является свободным. Второй конец пружины неподвижен, и к нему подводится измеряемое давление р. Давление вызывает деформацию пружины и переме­щение ее свободного конца.

Раскручивание пружины происходит по следующей причине. При увеличении внутреннего давления эллиптическое сечение стре­мится принять круглую форму, т. е. малая ось эллипса начинает увеличиваться, а большая – уменьшаться. В результате возникают напряжения, которые будут раскручивать трубчатую пружину. Свободный конец пружины при этом будет перемещаться пропор­ционально давлению внутри нее. Таким образом, измеряемое дав­ление преобразуется в механическое перемещение свободного конца пружины. Величина этого перемещения обычно составляет 5—7 мм.

Многовитковая трубчатая пружина (б) имеет 6-9 витков диаметром около 30 мм. Перемещение свободного конца пружины значительно больше (до 15 мм), чем у одновитковой пружины. Гораздо большим является здесь и тяговое усилие.

Рисунок 2. Схема датчика давления типа МЭД.

Обычно датчики в виде одновитковой трубчатой пружины применяются в показываю­щих приборах, а датчики в виде многовитковых трубчатых пружин – в самопишущих. Это объясняется тем, что в самопишущих при­борах датчик должен обладать большим усилием, достаточным для преодоления трения не только в сочленениях передаточно-множительного механизма, но и трения пера о бумагу.

Плоская гофрированная мембрана (в) используется или от­дельно, или в коробке из двух гофрированных мембран. Приме­няется также мягкая мембрана из плоской прорезиненной ткани, соединенной с плоской калиброванной пружиной.

Гармониковая мембрана — сильфон (г) представляет собой цилиндрическую коробку со стенками, имеющими равномерные поперечные складки (гофры). Измеряемое давление подается внутрь сильфона или снаружи его.

По сравнению с плоской мембраной и мембранной коробкой гармоникообразная мембрана обладает наибольшей чувствитель­ностью.

Рисунок 3. Схема ротаметра с индуктивным датчиком.

Сильфонные приборы предназначаются для измерения и записи избыточного давления и разрежения. Кроме того, эти приборы ис­пользуются в качестве вторичных приборов к устройствам, снаб­женным приспособлением для пневматической передачи показаний на расстояние.

Пружинные датчики давления в схемах автоматизации преобра­зуют механическое перемещение в электрический сигнал при по­мощи индуктивного, реостатного или контактного датчиков.

На рис. 2 приведена схема датчика давления типа МЭД. Давление, воспринимаемое трубчатой манометрической пружи­ной 1, преобразуется в перемещение конца манометрической труб­ки. Это перемещение передается плунжеру трансформаторного датчика 2. Вторичным прибором является прибор типа ЭПИД.

Датчики расхода бывают механические, термические, ионизационные, индукционные, акустические.

Механические датчики расхода разделяются на датчики пере­менного и постоянного перепада, а также датчики со сливным от­верстием.

Рисунок 4. Схема поплавкового дат­чика уровня с реостатным датчиком.

Датчики расхода переменного перепада действуют по принципу возникновения перепада давления в сужающем устройстве, которое устанавливается на пути движущейся среды. Пере­пад давления является здесь функцией расхода. Сужающее устройство является воспринимающим органом датчика расхода.

Датчики расхода постоянного перепада (ротаметры) используют сужающие органы для регулирования сечения с целью поддерживания постоянным пере­пада давления.

На рис. 3 приведена схема ротаметра с индуктивным датчиком. Ротаметр состоит из ко­нической трубки 1 и поплавка 2. При движении жидкости или газа в кольцевом зазоре между поплавком и стенками трубки создается перепад давления, который создает силу, действующую навстречу силе веса поплавка. Положение поплавка в конической трубке определяется величиной расхода.

Ротаметры выполняются как показывающие приборы и как дат­чики. Обмотка индуктивного датчика помещена снаружи на трубке сопла. Железный поплавок является сердечником катушки 3 индуктивного датчика. При изменении расхода поплавок переме­щается и изменяет индуктивность катушки, таким образом расход преобразуется в электрический сигнал.

Датчики уровня

Чрезвычайно распространенными являются поплавковые датчики. Поплавковый датчик состоит из поплавка – органа, воспринимающего уровень жидкости; проме­жуточного органа – механической связи, преобразующей и пере­дающей механическое воздействие выходному органу, представ­ляющему собой датчик перемещения.

Датчики уровня могут быть основаны на измерении веса и гидростатического давления жидкости, на использовании электрических свойств жидкости (изменения сопротивления, ем­кости, индуктивности).

Отечественная промышленность выпускает датчики уровня раз­личных типов.

На рис. 4 приведена схема поплавкового дат­чика уровня с реостатным датчиком R на выходе. По показаниям милливольтметраmV судят об уровне жидкости Н в сосуде.

Датчики давления. Типы, характеристики, особенности, подбор.

Введение

Давление необходимо учитывать при проектировании многих химических процессов. Давление определяется как сила действующая на единицу площади и измеряется в английских единицах – пси или в СИ единицах – Па.
Существуют три типа измеряемого давления:

1. Абсолютное давление – атмосферное давление плюс избыточное давление;
2. Избыточное давление – абсолютное давление минус атмосферное давление;
3. Дифференциальное давление – разность давлений между двумя точками.

Существуют различные типы датчиков давления, которые сегодня доступны на рынке для использования в промышленности. Каждый из них имеет преимущества в определенных ситуациях.

Критерии отбора датчика

Для того чтобы контролируемая давлением система работала правильно и эффективно, важно, чтобы используемый датчик давления мог давать точные показания по мере необходимости и в течение длительного периода времени без необходимости ремонта или замены в условиях работы системы. Существует несколько факторов, влияющих на пригодность конкретного датчика давления для конкретного процесса. Основные это:

• характеристики используемых веществ в среде которых будет использоваться устройство;
• условия окружающей среды;
• диапазон давлений;
• уровень точности и чувствительности, требуемые в процессе измерения.

Процесс

Чувствительный элемент (упругий элемент) будет подвергаться воздействию веществ, используемых в процессе, поэтому материалы датчика, которые могут реагировать с данными веществами или подвергаться воздействию агрессивных сред – непригодны для использования. Мембраны (диафрагмы) являются оптимальными даже для очень суровых условий использования.

Окружающая среда

Окружающая среда (в технологическом процессе – это среда создаваемая веществом, вибрация, температура и т.д.), в которой проводится технологический процесс, также должна быть учтена при выборе датчика давления. В агрессивных средах, при сильных вибрациях в трубопроводе, или при экстремальных температурах, датчики должны иметь дополнительный уровень защиты. Герметичные, прочные корпуса с заполнением материалом, содержащим глицерин или силикон – часто используются, для того, чтобы защитить внутренние компоненты датчика (кроме чувствительного элемента) от очень жестких, агрессивных сред и колебаний.

Диапазон давлений

Большинство процессов работают в определенном диапазоне давлений. Поскольку определенные датчики давления работают оптимально в определенных диапазонах давления, существует необходимость выбрать устройства, способные функционировать в диапазоне, установленном процессом.

Чувствительность

Различные процессы требуют различных уровней точности. В общем, чем точнее датчик, тем он дороже, таким образом, будет экономически выгодно выбрать датчики, которые способны максимально удовлетворить требуемую точность. Существует также компромисс между точностью и способностью быстро обнаруживать изменения давления. Следовательно, в процессах, в которых давление сильно варьируется в течение коротких периодов времени – нецелесообразно использовать датчики, которым требуется больше времени, чтобы дать точные показания давления, хотя они и могли бы дать более точные значения.

Методы измерения давления

Существует несколько наиболее часто используемых методов измерения давления. Эти методы включают в себя визуальный замер высоты жидкости в колонне, метод упругой деформации и электрические методы.

Высота жидкости в колонне

Давление можно выразить как высоту жидкости с известной плотностью в трубке. Используя уравнение P = ρ GH, можно легко вычислить значение давления. Данные типы измерительных приборов обычно называют манометрами. Для измерения высоты жидкости в колонне, может быть использована шкала с единицами измерения расстояния, также как и откалиброванная шкала давления. Обычно в качестве жидкости в этих колоннах используется вода или ртуть. Вода используется, когда вы хотите достичь более высокой чувствительности (плотность воды значительно меньше, чем плотность жидкой ртути, так что высота столба воды будет более сильно меняться при изменении давления). Ртуть же используется, когда вы хотите измерять более высокие значения давления, но с меньшей чувствительностью.

Упругая деформация

Этот метод измерения давления основан на принципе, который гласит, что степень деформации упругого материала прямо пропорциональна прикладываемому давлению. Для данного метода, в основном, используются три типа датчиков: трубки Бурдона, диафрагмы и сильфоны. (См. раздел “Типы датчиков”)

Электрические методы

Электрические методы, используемые для измерения давления основаны на принципе, основывающимся на том, что изменение размера влияет на электрическое сопротивление проводника. Устройства, использующие для измерения давления изменение сопротивления называют тензодатчиками. Также существуют и другие электрические датчики, например емкостные, индуктивные, магнетосопротивления (Холла), потенциометрические, пьезометрические и пьезорезистивные преобразователи. (См. раздел “Типы датчиков”)

Типы датчиков

Существует множество различных датчиков давления являющихся наиболее подходящими для конкретного процесса, но их обычно можно разделить на несколько категорий, а именно: упругие датчики, электрические преобразователи, датчики дифференциального давления и датчики давления вакуума. Ниже представлены категории, каждая из которых содержит уникальные внутренние компоненты более подходящие под использование в конкретной ситуации.

Упругие датчики

Большинство датчиков давления жидкости имеют упругую структуру, где жидкость заключена в небольшой отсек по меньшей мере с одной упругой стенкой. При использовании данного метода, показания давления определяются путем измерения отклонения этой эластичной стенки, представляя результат непосредственным отсчетом через соответствующие связи, либо через трансдуцированные электрические сигналы. Упругие датчики давления очень чувствительны, они довольно хрупкие и подвержены вибрации. Кроме того, они, как правило, значительно дороже, чем манометры, и поэтому в основном используются для передачи измеренных данных и измерения разности давлений. Теоретически можно использовать довольно широкий спектр упругих элементов для упругих датчиков давления. Однако большинство устройств используют ту или иную форму трубки Бурдона или диафрагмы.

Трубки Бурдона

Принцип, на котором основаны разного вида трубки Бурдона: Давление, подаваемое внутрь трубки, вызывает упругую деформацию эллиптического или овального сечения трубки в сторону круга, которая вызывает появление напряжений в продольном направлении, заставляющих трубку разгибаться, а свободный конец трубки перемещаться. Система рычагов и передач превращает это движение и возвращает стрелку, показывающую давление относительно круглой шкалы. Диапазон измерения такого манометра составляет – от 10 Па до 1000 МПа. Трубные материалы могут быть изменены соответствующим образом в соответствии с требуемым условием процесса. Также, трубки Бурдона – портативные и требуют минимального технического обслуживания, однако, они могут быть использованы только для статических измерений и имеют низкую точность.

Материалом для трубчатых пружин может служить сталь, бронза, латунь. В зависимости от конструктивного исполнения трубчатые пружины могут быть одно- и многовитковые (винтовые и спиральные), S-образные и т.п. Распространены одновитковые трубчатые пружины, используемые в манометрах, которые предназначены для измерения давления жидкостей и газов, а также в таких типах манометров как глубиномер. Датчики С-типа могут быть использованы в диапазонах давлений приближающихся к 700 МПа; они имеют минимальный рекомендованный диапазон давления – 30 кПа (т.е. они не достаточно чувствительны для измерения разности давлений меньше чем 30 кПа).

Сильфоны

Сильфоны имеют цилиндрическую форму и содержат много складок. Они могут деформироваться в осевом направлении при изменении давления (сжатие или расширение). Давление, которое должно быть измерено прикладывается к одной стороне сильфона (внутри или снаружи), тогда как на противоположную сторону действует атмосферное давление. Абсолютное давление может быть измерено путем откачки воздуха из внешнего или внутреннего пространства сильфона, а затем измерением давления на противоположной стороне. Сильфон может быть подключен только к включающим / выключающим переключателям или к потенциометру и используется при низких давлениях, H 2 (газ) + ZnCl 2 (жидк), вы производите один моль газообразного водорода в дополнение к существующему давлению воздуха в емкости. По мере протекания реакции, давление внутри сосуда будет существенно увеличиваться. Моделирование давления H 2 (газ) в идеальных условиях равно, Р = НЗТ / V

Точка отключения

Принимая во внимание быстрое увеличение давления, как оценено в пункте (2), и отказ клапана при 4 атм., точка выключения должно быть примерно равна 3 атм.

Тип датчика:

1. Учитывая типы датчиков, которые мы обсуждали, мы можем сразу отбросить вакуумные датчики, так как они работают при очень низких давлениях (почти вакууме, отсюда и название). Мы можем также отбросить дифференциальные датчики давления, поскольку мы не ищем перепада давления на резервуаре.
2. Поскольку мы хотим добиться высокой чувствительности, мы должны использовать электрические компоненты. Учитывая диапазон давлений (3 атм.; макс

0,3 МПа) оптимальным будет емкостной элемент, потому что он прочный и хорошо работает в системе низкого давления.

Так, в итоге, мы выбираем датчик, который будет использовать диафрагму в качестве упругого элемента, емкостной элемент качестве электрического компонента и антикоррозийный корпус.

Пример 2

Ваш руководитель сказал вам добавить датчик давления в очень дорогой и важной части оборудования. Вы знаете, что часть оборудования работает на 1 МПа и при очень высокой температуре. Какой датчик вы бы выбрали?

Решение

Поскольку часть оборудования, которое вы имеете дело очень дорогое, вам нужен датчик, который имеет высокую чувствительность. Электрический датчик был бы подходящим, потому что вы могли бы подключить его к компьютеру для быстрого и простого считывания показаний. Кроме того, вы должны выбрать датчик, который будет работать на 1 МПа и сможет выдерживать высокие температуры. Из информации представленной в этой статье вы знаете, что есть много датчиков, которые будут работать при давлении 1 МПа, так что вы должны решить, относительно других влияющих факторов. Одним из наиболее чувствительных электрических датчиков является датчик емкостного типа. Он имеет чувствительность 0.07 МПа. Емкостный датчик обычно имеет диафрагму в качестве упругого элемента. Мембраны имеют быстрое время отклика, очень точны и работают на 1 МПа.

Принцип работы датчиков давления: схема, устройство, применение

В современной промышленности не обойтись без точных приборов измерения, которые служат для учета расхода различных жидкостей, а также газа, газовых смесей и пара. Помимо расходомеров с разными принципами действия, широко применяются электронные датчики давления. Они являются неотъемлемой частью измерительных комплексов, а также входят в состав теплосчетчиков, используются в системах автоматизированного контроля технологических процессов. Данные приборы востребованы в энергетике, пищевой промышленности, нефтяной и газовых отраслях и других сферах производства.

ЧТО ТАКОЕ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ

Это устройство для измерения и преобразования давления среды – жидкости, газа или пара. Полученное значение выводится на дисплей или передается в виде аналогового или цифрового выходного сигнала.
Принцип работы зависит от типа измеряемого давления, которое может быть абсолютным, избыточным и дифференциальным.

ТИПЫ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ

Так, в пищевом и химическом производстве широкое применение получил интеллектуальный датчик абсолютного давления, осуществляющий измерение относительно абсолютного вакуума. Отметим, что именно такое измерение применяется в узлах учета газа, пара и тепловой энергии для приведения расхода к стандартным условиям.

Решать задачи учета расхода измеряемой среды позволяет датчик дифференциального давления. Принцип его работы заключается в измерении разности давлений между двумя полостями – плюсовой и минусовой. Могут применяться для учета расхода, при помощи сужающих устройств. Сужающее устройство в трубопроводе представляет собой местное сопротивление, при прохождении через которое изменяется характер течения потока. Непосредственно перед сужающим устройством давление среды возрастает, а после него – снижается. Чем больше разница на входе и выходе сужающего устройства, тем больше расход среды, протекающей по трубе.

Кроме того, такой датчик позволяет производить учет объема жидкости не только в трубе, но и в емкости при помощи измерения давления столба жидкости на плюсовую мембрану и, при необходимости, измерения минусовой полостью давления под куполом емкости, для исключения влияния насыщенных паров. Такой метод называют гидростатическим.

В системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами не обойтись без такого прибора, как датчик избыточного давления. Он может использоваться в составе водяных систем теплоснабжения, а также входить в комплектацию узлов коммерческого и технологического учета жидкостей, газа и пара.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДАВЛЕНИЯ “ЭМИС-БАР”

В конце 2018 года в продуктовой линейке компании «ЭМИС» появились интеллектуальные преобразователи «ЭМИС» – БАР». Они способны осуществлять непрерывное измерение абсолютного, избыточного, дифференциального и гидростатического давления, определять разрежение жидких и газообразных сред, насыщенного и перегретого пара.

Несколько вариантов исполнения позволяет сделать оптимальный выбор, в зависимости от поставленных задач и условий эксплуатации, в том числе при работе на низкотемпературных, высокотемпературных и агрессивных средах.

Стоит отметить, что у заказчика имеется возможность выбора материалов изготовления разделительной мембраны и корпуса электронного блока, типа, материала и размера фланца, типа и материала кронштейна. Также на выбор представлены несколько вариантов длины погружной части разделительной мембраны плюсовой полости.
Остановимся более подробно на технических характеристиках и модификациях.

Устройство прибора

• 1. Корпус;
• 2. Крышки корпуса, передняя крышка чаще всего служит экраном дисплея;
• 3. RFI- и EMI-фильтры– служат для гашения электромагнитных и радиопомех;
• 4. Электронный блок – модуль процессора;
• 5. Модуль дисплея – может отсутствовать;
• 6. Приемник давления – имеет различный внешний вид, в зависимости от типа;
• 7. Фланцы и метизы – для фланцевого исполнения;
• 8. Клеммная колодка;
• 9. Кнопки настройки.

В качестве сенсора используется монокристаллическая кремниевая мембрана с расположенными на ней пьезорезисторами. При этом мембрана, подложка и резистор выполнены из одного материала – кремния. Для защиты сенсора возможно исполнение с разделительной мембраной и заполняющей жидкостью.

Устройство сенсорного модуля

Сенсорный модуль состоит из:

• -настройка шкалы измерения с подачей опорного давления;
• -настройка времени демпфирования;
• -настройка шкалы измерения без подачи опорного давления;
• -установка нуля;
• -установка фиксированного значения тока выходного сигнала;
• -установка аварийных значений тока;
• -блокировка управления с кнопок;
• -функция корнеизвлечения для преобразователей дифференциального давления;
• -выбор единиц измерения.

Приборы «ЭМИС» – БАР» внесены в Госреестр средств измерения (№2219), имеют сертификат соответствия ТР ТС 012/2011 «О безопасности оборудования для работы во взрывоопасных средах», всю необходимую разрешительную документацию, а также дополнительные сертификаты:

• -Сертификат соответствия ТР ТС 032/2013 “О безопасности оборудования, работающего под избыточным давлением”.
• -Декларация о соответствии ТР ТС 032/2013 “О безопасности машин и оборудования”.
• -Декларация о соответствии ТР ТС 020/2011 “Электромагнитная совместимость технических средств”.
• -Сертификат соответствия «Применение в средах, содержащих сероводород».
• -Экспертное заключение по результатам санитарно-эпидемиологической экспертизы.
• -Право интеллектуальной собственности разработчика защищено патентом РФ № 186107.

Выпускаются с возможностью фланцевого и штуцерного соединения. На выбор заказчика есть несколько материалов мембраны, полости камеры и корпуса электронного блока, а также типа заполняющей жидкости.

Имеют несколько вариантов исполнения:
• -с фланцевым присоединением
• -со штуцерным присоединением
• -с открытой мембраной
• -с выносной разделительной мембраной

Данные спецификации представлены с фланцевым креплением и с выносными разделительными мембранами. Модели 186,187, 188 являются преобразователями разрежения.

Спецификация 163 – с плоской мембраной, 164 – с погружной мембраной. Они применяются для точного определения уровня жидкости в различных емкостях и резервуарах.

Преимущества

Каждый из представленных приборов обладает высокой точностью измерений на уровне лучших мировых образцов. При специальном заказе основная приведенная погрешность составляет 0,04%. Также они отличаются долговременной стабильностью – не более 0,1% в течение 5 лет (или 0,02% в течение года).
Их ключевыми особенностями являются широкий диапазон измерения (от -0,5 до 69 МПа), способность работать в условиях перегрузки до 105 МПа и расширенная самодиагностика.

Имеется возможность настройки (в том числе калибровки нуля) с кнопок непосредственно во взрывоопасной зоне, без нарушения взрывозащиты корпуса, а также обеспечена работа с фирменным программным обеспечением «ЭМИС» – Интегратор». Межповерочный интервал составляет 5 лет.

В 2018 году, в целях проведения ОПИ, преобразователи «ЭМИС-БАР» были поставлены на объект УРМЦ «Газпром – Трансгаз – Екатеринбург». В своем отзыве заказчик отмечает, что за время опытно-промышленных испытаний они показали себя надёжным средством измерения, отвечающим всем техническим требованиям и в полной мере обеспечивающим заявленные метрологические и технико-эксплуатационные параметры. Приборы показали высокую стабильность при различных температурных режимах и в разных погодных условиях, высокую визуализацию, интуитивность и практическое удобство дисплея.

Также положительные характеристики преобразователи ИД «ЭМИС-БАР» получили по результатам работы на «Березниковском содовом заводе», где измеряемой средой стала фильтровая жидкость карбоколонны. «Интерфейс настройки прибора интуитивный и понятный. Материал корпуса соответствует заявленному в паспорте. Несмотря на наличие в фильтровой жидкости агрессивных примесей, отложений и коррозии на сенсоре не было. Метрологические характеристики после 6 месяцев работы соответствуют заявленным. Диапазон напряжения питания может быть от 12 до 36 вольт, при этом влияния на работу прибора данный разбег по питанию не оказывает», – отмечает в отзыве заказчик.

Стоит отметить, что измерители «ЭМИС» – БАР» являются частью комплексов учета энергоносителей и теплосчетчиков. Сейчас комплексы можно приобрести с расширенной гарантией до 3 лет, по Вашему запросу.

На рисунке комплекс учета «ЭМИС»-Эско 2210»

Необходимо добавить, что с появлением в продуктовой линейке «ЭМИС» датчиков давления, для заказчиков открылись возможности унификации применяемого оборудования и получения дополнительных выгод при комплексной покупке средств измерения нашей торговой марки!

Если у Вас существует потребность в приобретении продукции, на нашем сайте Вы можете оставить заявку или заполнить опросный лист и отправить его на адрес sales@emis-kip.ru.

Задать вопрос инженерам по работе производимых приборов